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정승환컬럼:watt_headphoneamp

헤드폰 앰프의 출력과 헤드폰 임피던스

사용되는 공식

Z = V / I : 출력 임피던스는 출력전압과 전류량의 비율이다.

P = V x I : 출력(Watt) 는 출력전압과 전류의 곱이다.

여기서 헤드폰앰프의 출력되는 전류량을 알수 없기 때문에, Power 를 V 와 Z 에 관한 공식으로 새로 다시 쓰면 다음과 같습니다.

I = V / Z

따라서 P = V^2 / Z

이러한 기본 공식 사항을 좀 알고 있어야 헤드폰 앰프의 출력과 헤드폰 임피던스의 관계를 알기 쉽습니다.

헤드폰 앰프의 출력

헤드폰 앰프의 출력은 대체적으로 dBu(m)또는 mW(밀리와트) 으로 표기 되는 경우가 대부분입니다.

dBu 의 경우는 보통 프로장비들의 헤드폰 아웃풋 측정에서 600ohm 부하를 줬을때의 출력 볼티지 값을 측정한 것입니다.

이 경우, AES/EBU 의 라인레벨 레퍼런스 값에 따르면 +4dBu 를 노미널 레벨로 사용해야 하므로 이 이상으로 헤드룸이 18dB 라면 22dBu 의 Max output level 이 필요하고, 20dB라면 24dBu 의 Max output이 필요합니다.

이것을 600ohm 부하로 계산한다면 22dBm 의 출력으로 나오게 됩니다.

150mW 의 값입니다. 따라서 어떤 헤드폰 앰프의 600ohm 의 헤드폰을 연결했을때 Max ouput level 22dBu를 만족하는 헤드폰 앰프의 출력값은 150mW 입니다.

위의 공식에서 와트는 임피던스에 반비례 하므로, 300ohm 의 헤드폰1)을 연결한다면 75mW(대략 19dBm) 의 출력을 가지는 헤드폰 앰프를 사용시 22dBu 의 Max output 을 만족한다고 보면됩니다. 대체적으로 아날로그 믹싱 콘솔의 헤드폰 아웃들은 이 정도의 출력을 내어주는 편입니다.

거꾸로 역산한다면, 만약 75ohm의 헤드폰을 연결해서 사용하는경우 22dBu의 소리를 들을려면, 헤드폰 출력은 16dBm(40mW) 이면 충분합니다.

헤드폰의 감도

이제 이러한 헤드폰 앰프의 출력에 대비하여 헤드폰이 얼만큼의 소리를 재생하느냐의 문제가 남아 있습니다.

일반 앰프와 스피커, 그리고 0VU(+4dBu)의 칼리브레이션에서는, 보통 앰프의 출력과 스피커의 감도에 의해 소리크기가 정해지고 이것을 85dBSPL 로 출력하기위해 0VU 를 85dBSPL로 조정할수있게 되어있지만, 헤드폰앰프의 경우는 직접 헤드폰 앰프의 출력을 가변하도록 되어 있기 때문입니다. 그래서 헤드폰앰프와 헤드폰의 소리 크기에 대해서는 스피커의 경우와는 좀 다르게 생각해야합니다.

감도는 헤드폰에 1mW 를 넣었을때 얼마만큼의 dBSPL 로 환산되느냐에 관한 값입니다.

만약 어떤 헤드폰의 감도가 97dBSPL/mW2) 라면 1mW 출력에서 97dBSPL 의 소리를 재생하는것입니다.3)

만약 그렇다면 80mW 의 출력을 하는 헤드폰 앰프에 이 헤드폰을 연결한다면 2mW일때 100dBSPL, 4mW에서 103dBSPL….
64mW 에서는 115dBSPL , 128mW 에서는 118dBSPL 정도의 소리가 재생되게 되니까
80mW 에서는 대략 116dBSPL 정도의 소리가 재생되게 됩니다.

헤드폰 앰프의 볼륨을 최대로 놓는다면 116dBSPL MAX, 0VU 기준으로 만들어지는 음악을 재생시 100dBSPL 인근으로 재생되는것입니다. 이것은 돌비 스탠다드인 85dBSPL RMS , 103dBSPL PEAK (18dB 헤드룸)와는 아주 동떨어진 매우 높은 수치라고 볼수 있습니다.

이때 정상적인 헤드폰 앰프라면 볼륨노브를 절반 이하 정도로 만 놓아도 우리가 원하는 소리 크기 재생은 가능합니다. 생각보다 헤드폰의 감도들은 매우 높다는것을 알수 있습니다.4)

실제로 사용해보면, 녹음실등의 음악 프로덕션에서는 103~105dBSPL Peak 를 가지도록 감도를 설계 한다면, 85~86dBSPL/mW정도의 감도의 헤드폰을 설계해서 만들어 사용해야 하는데 이것으로는, 녹음 소스의 레벨단계에서는 다소 작게 들릴수도 있는 수치가 되어, 녹음실용의 모니터링 헤드폰들은 이와 같이 일반 감상용 헤드폰들보다 다소 높은 감도를 가지도록 설계하게 된것 같습니다.

또한 이러한 특성때문에 헤드폰 앰프의 출력이 다소 작은 오디오 기기에서도 어느정도 큰 볼륨을 얻을수도 있습니다.

예를들면 Apogee 사의 Groove 같은 경우,

Max output level: 225mW into 30 Ohm 40mW into 600 Ohm

와 같은 스팩을 가지고 있습니다.

300ohm 의 부하 임피던스를 가지는 HD600 연결시에는 80mW 의 출력 파워를 가질것으로 예상되는데, 이때 80mW 에서는 위에서 계산한대로 116dBSPL 의 Peak 재생력을 가지게 되어서, 충분히 큰 소리로 재생이 가능함을 알수 있습니다.

왜 헤드폰이나 이어폰들은 대체적으로 높은 감도 특성을 가지게 출시 되는가?

제 생각엔 아마도 , 야외에서 사용시 주변 소음을 이겨내고 음악을 듣기 위함이 첫번째 이고 두번째는 우리가 이제 음악을 듣는 환경이 점점 포터블 해짐에 따라, 적은 출력으로도 큰 소리를 내는것이 중요해졌고(배터리/동작시간 성능에 영향), 마지막으로는, 생각보다 길게 헤드폰 선을 사용하는 경우가 많기 때문인것 같습니다.

헤드폰 앰프를 고급스럽게 구성하는것보다 아무래도 헤드폰의 감도특성을 올리는 편이 비용적으로, 기술적으로 더 효율적이기도 합니다. 5)

하지만 높은 레벨에서의 음악 청취는 청력을 쉽게 망가뜨릴수도 있습니다.

그래서, 최근에는 유럽이나 선진국 등에서 이러한 높은 재생레벨에 대한 규제나 제재가 이루어지고 있어서, 헤드폰 출력이 많이 줄어들고 있는 실정입니다. 이어폰이나 헤드폰들이 감도가 높게 설계되어 출시되는게 쭈욱 지속되온 결과, 헤드폰출력을 제한하는 방식으로 음량을 규제하고 있습니다. 또한 무선 헤드폰의 경우는 이런 규제때문에 오히려 낮은 소리 출력에 더하기 “액티브 노이즈 캔슬링” 측면으로 더욱 발전하고 있는 실정입니다. 소리가 출력이 많이 줄어듦에 따라 , 주변 소음을 낮춰야 음악을 감상하기 편해지는 것입니다.6)

https://www.bbc.com/news/health-21294537

EU 기준에 따르면 , 전일7) 평균 음량제한으로 85dBSPL(A-weight) RMS 를 넘지 말것으로 제한하고 있습니다. 8)

Power handling capacity

헤드폰이 최대로 소화 가능한 Watt 값을 말합니다. 만약 헤드폰의 파워 핸들링이 100mW 라면 이 헤드폰에 100mW 이상의 출력이 들어온다면 헤드폰의 소리가 매우 찌그러지고 망가질것입니다.

이때는 당연히도 높은 출력을 견디기 위해서는 높은 임피던스를가진 헤드폰이 유리합니다.

만약 출력이 좋은 헤드폰 앰프 사용시 너무 작은 부하 임피던스를 가진 헤드폰을 사용한다면 쉽게 소리가 찌그러지고 망가질 수 있습니다.

1)
아마도 HD600
2)
HD600, DT150 등
3)
헤드폰 감도의 측정은 더미헤드를 이용합니다.
4)
일반으로 필요한 기대치보다 10dB 이상 높음
5)
하지만 높은 헤드폰의 감도는 아무래도 공진의 원인이 되기도 합니다.
6)
패시브 노이즈 캔슬링 은 밀폐형 헤드폰을 말합니다. 하지만 진동판의 특성이 밀폐된 헤드폰 내부 체적에 꽉차있는 공기의 영향을 받기 때문에 소리의 변형이 많이 오게 됩니다. 이런 변형을 이겨내고도 플랫한 소리를 재생하기 위해 여러가지가 다시 또 적용이 되는것입니다. 결론적으로 소리는 더욱더 망가지게 되는게 아닌가 생각됩니다.
7)
하루종일
8)
Dolby Standard 의 85dB 값과 동일한 값
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정승환컬럼/watt_headphoneamp.txt · 마지막으로 수정됨: 2021/10/07 06:01 저자 merefox